Underwater Non-Contact Measurements for Corals Colour and Shape Assessment

The proposal of this doctoral thesis is to understand the exploitability of scanning technologies for studying and observing the shape variability of marine sessile benthic organisms with particular focus on isolated corals in shallow water. This study aims to compare two different systems, laser-based and image-based techniques, for 3D shape reconstruction and colour information. The first part of this thesis concerns a general description of the zonation, morphology and biological monitoring of the coral reef, in order to collocate this work in a larger project, in which the possibility to describe the modification of the bottom topography by means of underwater 3D sensors is an important contribution for the marine flora and fauna. A brief review of the underwater scanning methods is performed, highlighting the advantages and the drawbacks of the different solutions. The approach to the study is schematized by describing the different case studies (terrestrial and underwater conditions) adopted for the survey of small-sized samples, supported by laboratory tests. A particular focus is on the reduction of the underwater images quality in the photogrammetric approach, limited by the light attenuation. This is a fundamental issue, mainly for the acquisition in shallow water where the artificial light may not be an exploitable solution. For this reason, the investigation involves the implementation of a colour correction algorithm to restore the degraded images. The main contribution of this image pre-processing step is the drastically improvement of the matching point recognition and the reconstruction of the whole object independently to environmental illumination changes. The results show the difference between the 3D models obtained from a prototype 3D colour laser scanner (RGB-ITR) developed in ENEA ArtVisLab (Frascati) and a photogrammetric approach based on standard commercial cameras with different optical lenses. The colour and shape reconstruction capabilities of the latter technique, which proved to be superior to the laser-based one in underwater applications, were metrologically assessed by dedicated tests.

L’idea alla base di questa attività di ricerca consiste nell’adottare tecnologie di scansione 3D senza contatto per lo studio e l'osservazione della struttura e dei cambiamenti di forma di organismi sessili bentonici, in particolare dei coralli situati in acque poco profonde. Questo studio si propone di confrontare due diverse soluzioni, tecniche laser e tecniche di visione-stereo, in grado di riprodurre modelli 3D dettagliati e ottenere informazioni sul colore degli organismi indagati. La prima parte di questa tesi riguarda una descrizione generale della zonazione, della morfologia e del monitoraggio biologico della barriera corallina, al fine di collocare questo lavoro in un progetto più ampio, in cui la possibilità di descrivere la modifica della topografia dei fondali mediante sensori 3D subacquei, rappresenta un contributo importante per la flora e la fauna marina. È stata quindi effettuata una breve rassegna dei metodi di scansione subacquea, evidenziando i vantaggi e gli svantaggi delle diverse soluzioni. L'approccio utilizzato è schematizzato descrivendo i diversi casi studio (in condizioni terrestri e subacquee) adottati per il rilievo di campioni di piccole dimensioni, supportati da test di laboratorio. L’approccio con il mondo sommerso, ha portato ad affrontare una principale sfida nel campo dell’ottica, legata alla drastica riduzione della qualità delle immagini, dovuta all'attenuazione della luce, principalmente per l'acquisizione in acque poco profonde dove la luce artificiale potrebbe non essere una soluzione sfruttabile. Per questo motivo, l'indagine prevede l'implementazione di un algoritmo di correzione del colore per ripristinare le immagini subacquee degradate. Il principale contributo di questa fase di pre-elaborazione dell'immagine è il radicale miglioramento nel riconoscimento dei punti di corrispondenza sulle immagini, aumentando la precisione della ricostruzione 3D limitata dai cambiamenti di illuminazione ambientale. I risultati mostrano la differenza tra i modelli 3D ottenuti da un prototipo di scanner laser a colori 3D (RGB-ITR) sviluppato in ENEA ArtVisLab (Frascati) e dall’approccio fotogrammetrico basato su telecamere commerciali standard con obiettivi ottici diversi. Le capacità di ricostruzione del colore e della forma di quest'ultima tecnica, che si sono rivelate superiori a quelle basate su laser nelle applicazioni subacquee, sono state valutate metrologicamente mediante test dedicati.